课件：细胞壁与酶.ppt

细胞壁 (cell wall),细胞壁的结构与功能,细胞壁(cell wall)是植物细胞所特有的，具一定弹性和硬度，在细胞质膜之外并界定细胞形状的复杂结构。,细胞壁的结构与功能,一、细胞壁的结构和化学组成 (一)细胞壁的结构特点 典型的细胞壁是由胞间层(intercellular layer)，初生壁(primary wall)、有的细胞还具有次生壁(secondary wall)所组成。,次生细胞壁、初生细胞壁和中胶层结构示意图,细胞壁的结构与功能,初生壁 次生壁 胞间层,原生质向外分泌纤维素，纤维素定向地交织成网状，而后分泌的半纤维素、果胶质以及结构蛋白填充在网眼之间，形成质地柔软的初生壁。很多细胞只有初生壁，如分生组织细胞、胚乳细胞等。某些特化的细胞，例如纤维细胞、管胞、导管等在生长接近定型时，在初生壁内侧沉积纤维素、木质素等次生壁物质，且层与层之间经纬交错。由于次生壁质地的厚薄与形状的差别，分化出不同的细胞，如薄壁细胞、厚壁细胞、石细胞等。,Diagram of the cell wall organization; B. Cross section of pine tracheid in which three distinct layers in the secondary wall are visible.,细胞壁的结构与功能,(二)细胞壁化学组成 构成细胞壁的物质，主要成分是90%左右的多糖和10%左右的蛋白质以及酶类、脂肪酸等。,表2-1 从悬浮培养的槭细胞分离的细胞壁的组成,细胞壁的结构与功能,胞间层:果胶质 初生壁:果胶质、纤维素、半纤维素 次生壁:果胶质、纤维素、半纤维素、木质素,细胞壁的结构与功能,1.纤维素(cellulose) 是细胞壁的主要成分，它是由100010000个-D-葡萄糖分子以-1,4-糖苷键相连的无分支的长链。这些纤维素分子链都具有相同的极性，排列成立体晶格状，可称为分子团，又叫微团(micella)。微团组合成微纤丝(microfibril)，微纤丝又组成大纤丝(macrofibril)，因而纤维素的这种结构非常牢固，使细胞壁具高强度和抗化学降解的能力。,细胞壁的结构与功能,Structural model of a cellulose microfibril.,纤维素在质膜纤维素合成酶复合体上进行合成的可能分子模型,细胞壁的结构与功能,2.半纤维素(hemicellulose)是指除纤维素和果胶物质以外的，溶于碱的细胞壁多糖类的总称。它在化学结构上与纤维素没有关系。半纤维素的结构比较复杂。不同来源的半纤维素，它们的成分也各不相同。有的由一种单糖缩合而成，如聚甘露糖和聚半乳糖。有的由几种单糖缩合而成，如木聚糖、阿拉伯糖、半乳聚糖等。半纤维素在纤维素微纤丝的表面及它们之间，彼此紧密而非共价健的连接在一起。因此，它们覆盖在微纤丝之外并通过氢键将微纤丝交联成复杂的网格，形成细胞壁内的高层次上的结构。,细胞壁的结构与功能,3.果胶物质(pectic substances)也是细胞壁的组成成分。胞间层基本上是由果胶物质组成的，使相邻的细胞粘合在一起。果胶物质是半乳糖醛酸组成的多聚体。,细胞壁的结构与功能,果胶物质根据其结合情况及理化性质，可分为三类： 果胶酸(pectic acid) 是由约100个半乳糖醛酸通过-1，4键连接而成的直链。果胶酸是水溶性的，易与钙起作用生成果胶酸钙的凝胶。 果胶(pectin) 是半乳糖醛酸酯及少量半乳糖醛酸通过-1，4-糖苷键连接而成的长链高分化合物。 原果胶 果胶分子量在2500050000之间，每条链含200个以上的半乳糖醛酸残基。果胶能溶于水，存在于中胶层和初生壁中，甚至存在于细胞质或液泡中。,细胞壁的结构与功能,4.木质素(lignin)不是多糖，是由苯基丙烷衍生物的单体所构成的聚合物，在木本植物成熟的木质部中，其含量达18%38%，主要分布于纤维、导管和管胞中。,细胞壁的结构与功能,(四) 细胞壁形成,细胞壁的结构与功能,(四) 细胞壁形成 与细胞壁形成有关的细胞器是: 内质网 高尔基体 微管,细胞壁的形成需要 多种亚细胞结构的参与,细胞壁的结构与功能,二、细胞壁的功能 1. 支持作用 2运输通道 3保护作用 4参与各种代谢活动,细胞壁的结构与功能,二、细胞壁的功能 1.支持作用：细胞壁可增加植物的机械强度，充当植物的骨架。,细胞壁的结构与功能,二、细胞壁的功能 2运输通道：细胞壁允许离子、低分子量的蛋白质和多糖等小分子通行无阻，而大分子或微生物等被屏蔽于其外。故细胞壁对细胞间物质的运输具有调节作用。 ,细胞壁的结构与功能,二、细胞壁的功能 3保护作用：初生细胞壁中的寡糖素能诱导植物抗毒素(phytolaxin)的形成，还对其它生理过程有调节作用。在植物抵抗病虫害中起作用。可使植物产生过敏性死亡，使得病原物不能进一步扩散。还有防御和抗病抗逆的功能。 ,细胞壁的结构与功能,二、细胞壁的功能 4参与各种代谢活动：细胞壁中的酶类参与细胞壁高分子合成，转移及水解，细胞外物质输送到细胞内以及防御作用等。 ,细胞壁的结构与功能,二、细胞壁的功能 另外:细胞壁参与了植物与根瘤菌共生固氮的相互识别以及共同完成侵染作用；细胞壁中的多聚半乳糖醛酸酶可能参与了砧木和接穗之间嫁接过程中的识别反应。总之，高等植物细胞壁积极参与各种代谢活动包括细胞的生长、分化、细胞识别及抗病抗逆机制等方面。,细胞壁的结构与功能,三、胞间连丝 当细胞板尚未完全形成时，有局部的原生质丝(约400nm)存留在未完全合并的小囊泡之间，随后便成为两个子细胞的管状联络孔道称胞间连丝(plasmodesma)， 胞间连丝可以看作是两个细胞原生质膜的突出而连成的一个管状结构。 胞间连丝可使相邻细胞的原生质及其内溶物相互交换，也可进行信息传递。,细胞壁的结构与功能,三、胞间连丝,Formation of primary plasmodesmata,Formation of secondary plasmodesmata during a grate union. (A) The cell of stock and scion are separated . (B)Fusion process appears in regions where the ER adnated to the plasma membrane. (C) Localized thining of the wall. (D) Fusing of plasma membrane and ER of adjoining cell. (E,F) Wall redeposition,胞间连丝,由于胞间连丝使组织的原生质体具有连续性，因而将由胞间连丝把原生质体连成一体的体系称为共质体(symplast)，而将细胞壁、质膜与细胞壁间的间隙以及细胞间隙等空间叫作质外体(apoplast)。共质体与质外体都是植物体内物质运输和信息传递的通路。,A :Electron micrograph of plasmodesmata in longitudinal and cross-sections, B:A model of plasmodesmal substructure based on observation of freeze-substituted tobacco leaves.,细胞壁中的酶类 (The enzymes of cell wall),细胞壁中的酶类,(1)细胞壁高分子合成； (2)细胞壁高分子转移及水解； (3)细胞外物质输送到细胞内； (4)防御作用。,迄今已发现数十种细胞壁酶，大部分属于水解酶类，其余则多属于氧化还原酶类。 在植物的各种器官，如根、茎、叶、花、果实和种子等的细胞壁中，都或多或少地存在着这几种或那几种酶。 尤其值得特别指出的是花粉壁中存在着多种细胞壁酶。,果胶甲酯酶,应用琼胶培养基培养的烟草髓部匀浆的果胶甲酯酶活性，约有80%含于细胞壁之中。对细胞未予研碎状态下便浸于酶反应液中，结果发现其活性增高，推测这种结果乃是果胶分子不能透入细胞内之故。据此，他们认为证实了果 胶甲酯酶存在于细胞表面。 诱变的硬粒小麦子叶鞘的果胶甲酯酶，约有90%以结合状态存在于细胞壁。 豌豆实生苗胚轴的分析，也曾报道了同样的结果。,蔗糖酶,蔗糖酶在细胞壁，或者细胞质可溶性部分。 当自细胞壁提取蔗糖酶时，提取液的离子浓度定为0.2、0.5、和1.0三种，并将其pH值分别自4调节到9，以研究到底在哪一种离子浓度范围内pH值升高时蔗糖酶容易被提取以至离子浓度升高时蔗糖酶也容易被提取。当提取液pH值定为5和10，而其离子浓度也相应改变的情况下，则在pH10、离子浓度0.5条件下被提取的蔗糖酶比之在pH10、离子浓度1.5条件下进行提取时要多。,蔗糖酶,再者，填充细胞壁作色层柱，在pH5条件下按离子浓度直线梯度自细胞壁提取蔗糖酶，结果在离子浓度0.7的部位呈现活性峰值的蔗糖酶才被提取出来。 因此，可以得出结论：与细胞壁结合的蔗糖酶之中，最低限度是可溶性蔗糖酶，通过离子键而与细胞壁相结合。,蔗糖酶,胡萝卜培养细胞，提取原生质体，发现原生质体发生变化，其间便释出蔗糖酶，此后，酶释出过程持续56小时。 吸附于细胞表面的蔗糖酶，约占酶总量的5060%。 吸附于细胞表面的蔗糖酶最低限度有一部分结合于细胞壁。,ATP酶,细胞壁与细胞膜的ATP酶区别。 (1)基本的ATP酶及对阳离子敏感的ATP酶两者的比活性，都是细胞壁比细胞膜要高； (2)基本的ATP酶及对阳离子敏感的ATP酶匀浆中以两者比活性为标准，并从分别比较细胞膜和细胞壁ATP酶比活性的数值可以看出，细胞壁的数值经常比细胞膜要大。 根据上述两点可以认为，细胞壁的ATP分解能力，即使认为是归因于一部分细胞膜的ATP酶，也仍然有赖于细胞壁及其酶的作用。,菜豆子叶(第4天龄)细胞壁与细胞膜ATP酶活性,a：基本的ATP酶；b：对阳离子敏感的ATP酶,酸性磷酸酯酶,烟草培养细胞的细胞壁酸性磷酸酯酶。若加入一定浓度梯度的氯化钠便从细胞壁溶解出酸性磷酸酯酶，则应用0.12M和0.4M的氯化钠两种浓度，便可溶解出两种酶。 另一方面，细胞质可溶性酶也为细胞壁所吸附，而被吸附的酶类，应用一定浓度梯度氯化钠，当浓度为0.12M时便能从细胞壁再次被溶解出来。 根据这一点，应用0.4M氯化钠从细胞壁溶解出来的酶，乃是处于细胞壁吸附状态下与细胞质可溶性酶类性质不同的细胞壁原来酶类。,酸性磷酸酯酶,细胞壁与其本身酶类的结合方式有两种：(1)离子键结合方式；(2)共价键结合方式。大约60%的细胞壁酶类通过离子键结合方式而结合于细胞壁，大约所余的40%是以较为牢固的共价键方式结合于细胞壁。 在水稻培养细胞中，细胞壁的6种同工酶(isozymes)与细胞质的同工酶可根据(1)显色性，(2)等电点而加以区别。 可以推测，在细胞壁存在着细胞壁本身固有的酸性磷酸酯酶，这种酶在各个方面乃与细胞质可溶性酶具有不同的性质。,抗坏血酸氧化酶,甘蓝叶片细胞壁抗坏血酸氧化酶 燕麦子叶鞘细胞壁,大麦根部细胞壁 无论用0.15M氯化钠还是用能从培养细胞提取出酶的0.15M氯化钠处理细胞壁，均发现细胞壁抗坏血酸氧化酶活性没有减低。 即使应用能破坏内质网的脱氧胆酸进行处理，细胞壁原来存在的抗坏血酸氧化酶活性也不会减低。至于应用2.5M葡萄糖处理，也获得同上的结果。甚至应用超声波之类的物理因素处理，其效果也是相同的。 这些结果表明，细胞壁所含的抗坏血酸氧化酶并不是细胞质可溶性酶吸附于细胞壁的那种酶。,过氧化物酶,过氧化物酶(Peroxidase EC 1.11.1.7.POD)是研究得比较广泛深入的一种。 POD的重要功能之一是参与细胞壁中多种结构成分的聚合作用。除了催化伸展蛋白前体之间的交联反应以外，过氧化物酶还能催化2个果胶分子、阿拉伯木聚糖分子或者阿拉伯半乳聚糖分子上的阿魏酸形成二阿魏酸桥。 由于POD在细胞壁中既能催化蛋白质分子间的交联，又能催化果胶分子间和半纤维素分子间的交联，而且很可能也催化这些不同种类的大分子发生聚合，因此，它们在形成复杂的细胞壁结构方面起着十分重要的作用。,过氧化物酶,细胞壁内的结构蛋白、果胶和半纤维素等在POD催化下发生的交联反应可能在很大程度上降低了细胞壁的延伸性(extensibility)，使得细胞壁硬化(rigidification)，从而也就控制了细胞的生长速度。 牵牛花柱中的POD参与自交不亲和性反应。在没有授粉和自花授粉的牵牛花柱中，其引导组织(transmitting tissue)外部的细胞壁中存在POD活性，这里的POD参与对不亲和花粉管的排斥反应。亲和性的异花授粉(cross-pollinated)花柱中未发现POD活性。 授粉过程中，花柱内POD活性的消失是亲和反应的重要步骤之一。POD不仅在雌性器官中而且在花粉的细胞质及生长着的花粉管的细胞壁中发挥作用。它们既可能参与花粉管壁中各种大分子的交联，又可能调节内源IAA的含量，以适合花粉管生长的需要。,过氧化物酶,POD的另一功能是参与保护反应(defensive response)。植物受到病原侵染或机械损伤时，细胞壁中的POD在受伤处催化细胞壁组分形成一层不透水的屏障，而且可能参与受伤细胞壁的修复，也就是参与新细胞壁物质的合成。 在细胞壁中催化形成过氧化氢、参与木质素的形成也是POD的一种重要功能。烟草细胞壁中发现了3组同工酶，其中第一组仅存在于细胞壁中，第二、三组不仅存在于壁中，而且也存在于原生质中。以离子键与细胞壁组分相结合的第三组POD同工酶催化形成H2O2的活性最高，而第一组催化木质素形成的活性最高。,过氧化物酶,植物体中含有多种POD同工酶，其活性的表达或者具有组织特异性，或者由发育程序来调控，或者受环境条件的刺激。 烟草中已发现12种POD同工酶，可以分为pI8.111.0，4.56.5和3.44.0三类。不同类别的POD同工酶具有不同的功能。与这种现象相一致的是，不同种类POD同工酶的分子结构也表现出较大的差异。,多聚半乳糖醛酸酶,多聚半乳糖醛酸酶(Polygalacturonase,EC 3.2.1.15.PG)又称为果胶酶。 番茄果实成熟时的PG活性与细胞壁中果胶成分的降解研究一直十分活跃。 PG活性与叶片脱落密切相关。嫁接中的分子识别也和PG有关。 ,多聚半乳糖醛酸酶,PG在番茄果实成熟时的软化过程中起着决定性的作用。这表现在： (1)番茄果实的软化速率与PG活性大致呈正相关； (2)其他壁酶(如纤维素酶和1，3葡聚糖酶等)的活性与番茄果实软化速率没有相关性 (3)番茄果实成熟过程中，细胞壁的体内降解产物与体外条件下细胞壁由纯化的PG降解释放的产物基本相似； (4)成熟很慢的番茄品种或者不能成熟的番茄突变种，其果实细胞壁中没有PG活性； (5)番茄果实成熟时，新合成的PG蛋白以及PG的mRNA含量都增加，以致PG活性增强。,多聚半乳糖醛酸酶,PG在叶片脱落中也发挥作用。用乙烯处理由2cm长的番茄茎及联接在这种茎上的苞叶叶柄组成的外植体时，在第42小时便可在离区(abscission zone)组织中检测出PG活性，此后，PG活性迅速增加，叶柄脱落的百分率也同时迅速升高。到第66小时，PG活性最高，脱落的叶柄接近100%。 PG参与嫁接中的砧木和接穗的识别反应，它降解的果胶片段可能是一种识别分子。,果胶酯酶,果胶酯酶(pectinesterade,EC 3.1.1.11.PE)在高等植物中广泛存在，很多植物病原性真菌和细菌也产生PE。PE参与原果胶(protopectin)向可溶性果胶的转化。 在PE的作用下，细胞壁中果胶的成凝胶性质发生变化，从而又可能影响细胞壁中其他成分的相互作用。PE可能控制细胞壁中果胶的降解，所以它们在果实成熟中的作用也一直引起注意。 PE的一级结构是由305个氨基酸残基组成，分子量为33239D，含有18个酪氨酸残基和两个组氨酸残基。其活性部位可能是由His-128和His-269及与其邻近的酪氨酸组成的肽段。,纤维素酶(cdllulase,EC3.2.1.4),鳄梨果实成熟的呼吸跃变(climacteric rise)间，随着乙烯的产生，纤维素酶活性发生变化。一方面，纤维素酶mRNA积累，另一方面，纤维素酶蛋白重新合成。与此相反，未成熟鳄梨中纤维素酶mRNA的含量却一直很低。 在果实成熟过程中，纤维素酶可能切断细胞壁中各种基质成分的交联，从而使得细胞壁的强度变小，透性增加，直至最终被完全瓦解。 用酶联免疫分析法测定鳄梨采后成熟过程中的纤维素酶的变化时发现，刚采收的鳄梨中没有可检测出的纤维素酶活性，而经丙烯处理后，从处理第1天到第4天，纤维素酶含量逐步增加，第4天含量最多。与此相伴随的现象是第2，3和4天的乙烯的产量也由第1天的痕迹量上升为180，234和62nl/g h。,纤维素酶(cdllulase,EC3.2.1.4),纤维素酶mRNA在鳄梨成熟过程中的变化与纤维素酶蛋白的变化是一致的。如果将采收后的鳄梨分别放在空气中、立即冰冻或用丙烯处理，则前两种处理的鳄梨中mRNA一直保持在基础水平，而后一种处理的鳄 梨在第一天就迅速积累纤维素酶的mRNA并且在吸呼跃变期间仍然不断积累。 纤维素酶在叶片脱落过程中发挥作用。菜豆叶片脱落